Protocols and topologies used in the communication systems of the electric microgrids
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Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, Vol. 4, No. 1, enero-junio, 2021
ISSN (impreso): 2636-218X • ISSN (en línea): 2636-2171 81
DOI: https://doi.org/10.22206/cyap.2021.v4i1.pp81-95
Protocolos y topologías utilizadas en los sistemas
de comunicación de las microrredes eléctricas
Protocols and topologies used in the communication
systems of the electric microgrids
Alejandro Arias Martijenaa, Alexis Alexander Castillo Ruízb,
Ángel Isaac Roa Ariasc, Ezequías Bidó Cuellod,
Javier García Maimóe, Deyslen Mariano-Hernándezf
y Miguel Euclides Aybar Mejíag
Recibido: 8/5/2020 • Aprobado: 1/7/2020
Cómo citar: Aybar Mejía, M., Arias Martijena, A., Castillo Ruíz, A. A., Roa Arias, Ángel I., Bidó Cuello, E.,
García Maimó, J., & Mariano-Hernández, D. (2021). Protocolos y topologías utilizadas en los sistemas de
comunicación de las microrredes eléctricas. Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, 4(1), 81-95. DOI: https://doi.
org/10.22206/cyap.2021.v4i1.pp81-95
Resumen
Las microrredes son sistemas de potencia de baja tensión, que pueden operar
en modo aislado o con conexión a la red eléctrica. Estos sistemas cuentan con
fuentes de generación distribuida, sistemas de almacenamiento, cargas dis-
tribuidas, sistemas de comunicación y sistemas de monitoreo y control. Los
sistemas de comunicación implementados en las microrredes son un área de
estudio de gran importancia, debido a que para asegurar la continuidad y
calidad del servicio eléctrico es necesario que la información de los sistemas se
ª Área de Ingeniería. Instituto Tecnológico de Santo Domingo (INTEC), Santo Domingo, Repú-
blica Dominicana. ORCID: 0000-0002-8555-3530. Correo-e: 1053604@est.intec.edu.do
b Área de Ingeniería. (INTEC). ORCID: 0000-0002-8583-1465.
Correo-e: 1071622@est.intec.edu.do
c
Área de Ingeniería. (INTEC).ORCID: 0000-0002-4380-1348.
Correo-e: 1073885@est.intec.edu.do
d Área de Ingeniería. (INTEC).ORCID: 0000-0001-8692-3524.
Correo-e: 1065400@est.intec.edu.do
e Área de Ciencias Básicas. (INTEC). ORCID: 0000-0003-4594-071X.
Correo-e: javier.garcia@intec.edu.do
f
Área de Ingeniería. (INTEC). ORCID: 0000-0002-4255-3450.
Correo-e: deyslen.mariano@intec.edu.do
g
Área de Ingeniería. (INTEC). ORCID: 0000-0002-4715-3499.
Correo-e: miguel.aybar@intec.edu.do
Esta obra está bajo licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional82 Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, Vol. 4(1, enero-junio, 2021): 81-95 • Revisión de literatura
transmita de manera confiable y rápida. Por esta razón se utilizan diferentes
topologías de red y protocolos de comunicación, los cuales tienen distintas
ventajas dependiendo su aplicación. Este artículo presenta una revisión de
literatura sobre las topologías de red y los protocolos de comunicación
utilizados en las microrredes, ventajas y desventajas para cada aplicación,
así como los protocolos utilizados por las entidades del sector eléctrico de la
República Dominicana.
Palabras clave: microrred; topología de red; protocolo de comunica-
ción; Modbus; DNP3; IEC61850; IEC60870-5.
Abstract
Microgrids are low-voltage power systems, which can operate in isolated mode
or with connection to the grid. These systems have distributed generation sources,
storage systems, distributed loads, communication systems, and monitoring
and control systems. The communication systems implemented in the micro-
grids are an area of study of great importance since to ensure the continuity
and quality of the electrical service the information from the systems must be
transmitted reliably and quickly. This is why different network topologies and
communication protocols are used, which have different advantages depen-
ding on their application. This article presents a literature review on network
topologies and communication protocols used in microgrids, advantages, and
disadvantages for each application; as well as the protocols used by the entities
of the electricity sector of the Dominican Republic.
Keywords: Microgrid; Network topology; Communication protocol;
Modbus; DNP3; IEC61850; IEC60870-5.Protocolos y topologías utilizadas en los sistemas
A. Arias, et al. 83
de comunicación de las microrredes eléctricas
1. Introducción
La generación distribuida se refiere a la implementación de fuentes
de energía cercanas a los consumidores, usualmente conectadas a redes de
baja tensión. Desde la década de los 80 se ha vuelto esencial garantizar la
continuidad del suministro de energía eléctrica, y con este fin diferentes
países empezaron a desarrollar fuentes de energía distribuida dando inició
a una transición hacia un modelo descentralizado de generación y trans-
misión (Liu, 2015).
Las microrredes son sistemas de potencia individuales, controlables
e independientes. Debido a los desafíos enfrentados por los sistemas de
potencia en todo el mundo (entre los cuales se pueden mencionar el incre-
mento de la demanda, el deterioro del medio ambiente, la baja eficiencia
energética, entre otros), las microrredes han empezado a ser cada vez más
utilizadas a nivel mundial puesto que permiten el control de las fuentes
de generación distribuida en una manera efectiva y flexible (Fusheng,
Ruisheng & Fengquan, 2015). Sin embargo, el aumento del uso de las
microrredes a nivel global presenta un desafío adicional, debido a que
son sistemas que dependen de un control minucioso de la generación y
la demanda, surgiendo la necesidad de tener sistemas de comunicación
rápidos, confiables, seguros y flexibles (Marzal, Salas, González-Medina,
Garcerá & Figueres, 2018).
La topología de red se refiere a la forma física que esta adoptará, es
decir, la forma en que los dispositivos que la conforman se interconectarán
(ATIS, 2019a). Un protocolo de comunicación es un conjunto formal de
convenciones que gobiernan el formato y control de la interacción entre
unidades intercomunicadas. Es decir, es una serie de procedimientos que
se adoptan con el fin de facilitar la interoperabilidad de diferentes capas de
la jerarquía de comunicación (ATIS, 2019b).
Debido a que existe una diversidad de protocolos disponibles para
la adquisición de datos y el control de sistemas de potencia, es necesario
conocer las ventajas y desventajas que ofrece cada uno a la hora de selec-
cionar el protocolo para diferentes aplicaciones, debido a que existen
dispositivos cuya interoperabilidad con otras marcas es limitada.84 Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, Vol. 4(1, enero-junio, 2021): 81-95 • Revisión de literatura
Este artículo presenta una revisión de literatura acerca de las topolo-
gías de redes más utilizadas en microrredes a nivel mundial, con el fin de
comparar los usos y aplicaciones más adecuados de cada una. Además, se
presenta los protocolos de comunicación más utilizados para diferentes
aspectos del control de las microrredes.
2. Microrredes Eléctricas
Una microrred consiste en un conjunto de tecnologías de área local
dedicadas al suministro de energía distribuida hacia cargas en un pequeño
sistema (Liu, 2015). Son capaces de operar de manera independiente de la
red eléctrica, como una red a pequeña escala. Típicamente son implemen-
tadas en zonas rurales o remotas, donde la conexión a la red eléctrica tiende
a presentar desventajas técnicas significativas. En la actualidad, existe un
interés creciente por la aplicación de microrredes para aumentar el grado
de penetración de fuentes de generación distribuida en sistemas eléctricos
convencionales (Hayes, 2017).
Por lo general, las microrredes eléctricas se componen de una fuente
de energía distribuida, cargas dispersas en un área relativamente pequeña,
un método de almacenamiento de energía y una serie de dispositivos de
control intercomunicados, utilizados para la supervisión y maniobras del
sistema eléctrico. La generación y el almacenamiento suelen conectarse
en paralelo, del lado del usuario (Fusheng et al., 2016).
3. Topologías de Red
Al seleccionar una topología se debe garantizar la operación eficiente
y continua de la red, tomando en cuenta futuras expansiones. La topo-
logía de red afecta directamente al tráfico y el enrutamiento de datos que
circulan dentro de ella. Es importante tener en cuenta que existen factores
tales como la complejidad, el costo, la disponibilidad de equipos, el tipo y
la cantidad de datos esperados dentro de la red que pueden afectar las topo-
logías de red (Medhi & Ramasamy, 2018). Las topologías de red pueden
ser clasificadas en: bus, anillo, estrella, estrella extendida, árbol y malla
(Véase figura 1).Protocolos y topologías utilizadas en los sistemas
A. Arias, et al. 85
de comunicación de las microrredes eléctricas
Figura 1. Tipos de topologías de red
3.1 Bus
Todos los nodos se conectan a la misma barra o bus a través de un
transceptor, el cuales controla la comunicación. Toda la información se
envía y se recibe a través del bus y los nodos la rechazan o la reciben depen-
diendo si les concierne o no (Cerutti, Behredin, Andriolli, Ladouceur &
Castoldi, 2016).
3.2 Anillo
Se conectan los nodos uno a continuación de otro, formando un
lazo cerrado. Cada nodo posee un transceptor el cual funcionan como
repetidor y se encarga de pasar la información al nodo siguiente (Yu,
Ku & Lin, 2018).
3.3 Estrella
Todos los nodos se conectan a un dispositivo central el cual se encarga
de recibir, amplificar y enviar la información a los demás nodos. Esta topo-
logía reduce el riesgo de fracaso, pues si uno de los nodos tiene problemas86 Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, Vol. 4(1, enero-junio, 2021): 81-95 • Revisión de literatura
en el cableado que lo conecta al dispositivo central solo ese nodo se ve
afectado y el sistema continúa funcionando con normalidad (Song, Chen,
Zhang, Wen & Wei, 2019).
3.4 Árbol
Esta topología tiene la característica de que la información es trans-
mitida de manera jerárquica, por esta misma razón cuenta con nodos
principales encargados de transmitir y duplicar la información (Jiguo Yu,
Xiuzhen Cheng & Honglu Jiang, 2018).
3.5 Mallada
Es una configuración donde cualquier nodo de la red está conectado
a todos los nodos de la red, lo que hace la comunicación más segura,
pues elimina las interrupciones, ya que la información puede llegar a
cada nodo por muchos caminos distintos (Rachman, Yanti, Jamal &
Purwanto, 2018).
4. Protocolos de Comunicación
La efectividad del sistema de comunicación en la microrred está ligada
al conjunto de protocolos de comunicación utilizados. Marzal (2018)
presenta los parámetros que se utilizan para evaluar la calidad de los proto-
colos de comunicación en las microrredes como son el ancho de banda
usado, la latencia o los requerimientos de retraso de transmisión y recepción
de datos, revisión de errores de paquetes de datos, problemas de enruta-
miento, sobrecargas de datos, confiabilidad, interoperabilidad, flexibilidad,
y cómo estos afectan la calidad del servicio (QoS), la cual debe estar alre-
dedor del 99.999 % en los sistemas de comunicación. Cuando se habla
de protocolos de comunicación se trata de una serie de pautas que hacen
posible que un conjunto de dispositivos pueda intercambiar datos entre
ellos. Es importante destacar que los protocolos, debido a las reglas fijadas
en ellos, permiten recuperar datos perdidos en el intercambio. Los proto-
colos de comunicación más utilizados en sistemas eléctricos de potencia
son: Modbus, IEC61850, DNP3, IEC60870-5 (Véase figura 2).Protocolos y topologías utilizadas en los sistemas
A. Arias, et al. 87
de comunicación de las microrredes eléctricas
Figura 2. Protocolos de comunicación utilizados en sistemas de potencia
4.1 Modbus
Es utilizado con frecuencia en el sector industrial. Utiliza un método
de comunicación serial entre dispositivos electrónicos, el cual no necesita
elemento auxiliar para la comunicación y puede comunicarse a distancias
mayores de 50 m. Es capaz de establecer comunicación servidor/cliente entre
dispositivos inteligentes y es utilizado por su sencillez, bajo costo, muy alta
disponibilidad y compatibilidad con TCP/IP (You & Ge, 2019).
4.1 IEC61850
Es aceptado como estándar mundialmente para la comunicación
basada en Ethernet en subestaciones, diseñado para trabajar en redes
TCP-IP mediante conexiones a red de área local. Logra comunicaciones
tanto verticales como horizontales, que son necesarias para un rendi-
miento óptimo dentro de sistemas de control y adquisición de datos.
Además, cumple con los requisitos de confiabilidad, eficiencia, flexibi-
lidad e interoperabilidad, los cuales son esenciales en redes inteligentes
(Bani-Ahmed, Weber, Nasiri, & Hosseini, 2014).
Este estándar aprovecha un modelo de datos integral orientado a
objetos y la tecnología Ethernet, lo que brinda una gran reducción de los
costos de configuración y mantenimiento. Fue introducido en 2004 como
estándar de comunicación para automatización de subestaciones(Hussain,
Aftab, Ali, & Ustun, 2020). Posee interoperabilidad entre diferentes marcas
utilizando modelos estandarizados de datos virtuales y procedimientos de
intercambio de datos.88 Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, Vol. 4(1, enero-junio, 2021): 81-95 • Revisión de literatura
Según Yoo & Shon (2016), entre las principales características del
estándar IEC61850 se encuentran:
• Permite al usuario emplear solo un estándar tanto para comunicación
entre los dispositivos eléctricos inteligentes como para la adquisición
de datos de campo, reemplazando así a otros protocolos como DNP3
e IEC104.
• Crea elementos de datos y servicios que son independientes de los
protocolos subyacentes.
• Proporciona un modelo integral de cómo los dispositivos del sistema
de alimentación deben organizar los datos de manera coherente en
todos los tipos y marcas de dispositivos.
• Comunicación de alta velocidad entre dispositivos electrónicos inteli-
gentes, tiempos de entrega garantizados e interoperabilidad de múlti-
ples proveedores.
• En la tabla 1 se muestran las ventajas y desventajas del protocolo
IEC61850 en subestaciones eléctricas y microrredes.
Tabla 1. Ventajas y desventajas IEC 61850
Autores Ventajas Desventaja
Capacidad plug and play,
(Hussain et al., interoperabilidad con
2020) dispositivos electrónicos
inteligentes
(Khan & Khan,
Alta confiabilidad
2013)
(Saleem, Honeth &
Alta flexibilidad
Nordström, 2010)
Vulnerabilidades de
(Yoo & Shon,
seguridad/autenticación en
2016)
interfaz DNP3-IEC 61850Protocolos y topologías utilizadas en los sistemas
A. Arias, et al. 89
de comunicación de las microrredes eléctricas
4.3. DNP3 e IEC60870-5
Es usado principalmente en la industria eléctrica, y está basado en los
primeros trabajos de la IEEE. Este protocolo cuenta con la característica de
ser abierto, es decir que cualquier fabricante puede desarrollar un equipo
que sea compatible con este estándar.
El protocolo DNP3 no cumple de manera estricta con el IEC60870-5,
pero tienen suficientes similitudes técnicas y de aplicación como para
poder ser agrupados. Una de sus características principales es que posee
alta interoperabilidad con dispositivos plug and play en sistemas de control
y adquisición de datos (Pham et al., 2018).
Es ampliamente usado para la comunicación entre subestaciones.
Posee compatibilidad con TCP/IP, lo que significa que no está limitado
a la comunicación serial por cable. Además, permite más de un contro-
lador y sus dispositivos pueden reportar datos en caso de eventos. Sin
embargo, poseer todas esas funcionalidades lo hace altamente complejo
(Yoo & Shon, 2016).
En la tabla 2 se muestran las ventajas y desventajas del protocolo
DNP3 en subestaciones eléctricas y microrredes.
Tabla 2. Ventajas y desventajas DNP3
Autores Ventajas Desventaja
(Mander , Nabhani, Wang Capacidad de ser utilizado con
& Cheung, 2007) TCP/IP
Estándar abierto
Frente a Modbus: tipos de dato
(Bani-Ahmed estandarizados, información
et al., 2014) con tiempos, indicadores de
calidad de datos
Diseño complejo,
(Lu, Wang & requiere más
Ma, 2013) optimizaciones antes
de ser aplicado90 Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, Vol. 4(1, enero-junio, 2021): 81-95 • Revisión de literatura
5. Sistemas de comunicación en microrredes eléctricas
Para controlar la generación con respecto a la distribución y despejar
fallas a tiempo en los sistemas de potencia se necesita de comunicación
entre los dispositivos del sistema de potencia (Pérez-Guzmán, Salgueiro,
Rivera, Muñoz, Toledo, 2018). Es por esto por lo que las distintas partes
del sistema se comunican a través de los protocolos de comunicación.
En la tabla 3 se muestran las aplicaciones más típicas de los protocolos
DNP3 e IEC61850 en subestaciones eléctricas y microrredes.
Tabla 3. Aplicaciones DNP3 e IEC 61850
Autores IEC 61850 DNP3
(Hussain Sistemas de gestión energética utilizando
et al., vehículos eléctricos y DER como fuentes de .
2020) potencia en estados de emergencia
En automatización de subestaciones, cubre
(Khan casi todos los aspectos de control incluyendo
& Khan, protección en tiempo real y aplicaciones .
2013) de control de banda ancha. Intercambio de
información de estado y eventos en subestaciones
(Marzal et Comunicación entre dispositivos de transmisión,
.
al., 2018) distribución y automatización
(Saleem Vulnerabilidades de
et al., Diagnóstico de fallas seguridad/autenticación en
2010) interfaz DNP3-IEC 61850
Sistema de control y
(Lu et al., adquisición de datos en
2013) tiempo real, transferencia
de datos en utilidades
6. Sistemas de comunicación utilizados en la República Dominicana
para el control de los servicios eléctricos
De los protocolos de comunicación utilizados en la República Domi-
nicana se encuentran: Modbus, DNP3 e IEC60870-5, los cuales están
prácticamente en todos los sistemas actuales de República Dominicana
según informaciones del Organismo Coordinador del Sistema NacionalProtocolos y topologías utilizadas en los sistemas
A. Arias, et al. 91
de comunicación de las microrredes eléctricas
Interconectado (OC-SENI). Debido a la gran cantidad de sistemas insta-
lados, su inercia es muy grande y es difícil realizar cambios en todo el
sistema de circuitos y el sistema de control y adquisición de datos a corto
plazo (OC, 2020).
Para obtener la información correspondiente a los protocolos de
comunicación utilizados en las empresas de transmisión y distribución de
energía eléctrica en la República Dominicana se solicitó a través del Portal
Único de Solicitud de Acceso a la Información Pública (SAIP, 2020).
La Empresa de Transmisión Eléctrica Dominicana (ETED) utiliza
en su sistema de control y adquisición de datos el protocolo IEC60870-5
para la comunicación entre concentradores de datos en cada subestación
y el Centro de Control de Energía (CCE). Las ventajas principales que
presenta este protocolo a la empresa es que no requiere de un software
específico de red; no son necesarias las funcionalidades de routing; no es
necesaria la gestión de red; y que cualquier cambio en el tipo de red solo
requiere un cambio en el tipo de router utilizado, sin afectar la configura-
ción de los sistemas finales. Además, este protocolo establece un canal de
comunicación a través de una red estándar, la cual permite que se trans-
mita de manera simultánea a diferentes dispositivos y servicios.
La Empresa Distribuidora de Electricidad del Norte (EDENORTE)
utiliza en su sistema de control y adquisición de datos el protocolo DNP3.
Entre las ventajas que ofrece el protocolo a la empresa es que es un proto-
colo abierto que puede ser utilizado por cualquier fabricante, y presenta
alta compatibilidad entre distintos equipos. Además, este protocolo usa el
modelo TCP/IP para comunicaciones seriales y comunicación en redes IP,
facilitando la transferencia de información.
La Empresa Distribuidora de Electricidad del Este (EDEESTE) utiliza
el protocolo DNP3 para sus sistemas de control y adquisición de datos,
mientras que para la transferencia de datos entre los centros de control en
tiempo real se realiza a través del protocolo IEC60870-6, ya que al ser un
protocolo abierto le permite hacer modificaciones e integrar nuevas funcio-
nalidades. Además, permite comunicación entre unidades terminales
remotas (RTU), maestro a esclavo, peer-to-peer y aplicaciones de red.92 Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, Vol. 4(1, enero-junio, 2021): 81-95 • Revisión de literatura
En la tabla 4 se muestran las respuestas obtenidas por parte de las
diferentes entidades contactadas acerca de los protocolos de comunicación
más utilizados, así como las ventajas que sustentan su utilización en cada
institución.
Tabla 4. Protocolos de comunicación usados en República Dominicana
Institución Protocolo Ventajas
Modbus
*Compatibles con prácticamente todo el sistema, proveen
OC DNP3
buena interoperabilidad
IEC 61850
**Protocolo abierto, alta compatibilidad e interoperabilidad
EDENorte DNP3
entre diferentes fabricantes, utiliza el modelo TCP/IP
No requiere software propietario, alta flexibilidad, red estándar
ETED IEC60870-5
con acceso a múltiples equipos
***Alta flexibilidad e interoperabilidad, proporciona
EDEEste DNP3 facilidades para control y transferencia de diferentes tipos de
datos
DNP3
IEC (gama
EDESur control Igual comentario que las indicaciones * , **, ***
subestaciones)
Modbus
7. Conclusiones
Los sistemas de comunicación implementados en las microrredes tienen
una gran importancia, y la tendencia actual hacia el uso de fuentes de
energía renovables como forma de generación distribuida hace que las
topologías y protocolos de comunicación sean vitales para crear un sistema
eficiente, seguro y confiable.
En la actualidad, existen diversas topologías y protocolos de comuni-
cación en las microrredes, todas buscan garantizar la operación eficiente
y continua de la red. Los protocolos de comunicación más utilizados
en microrredes son: DNP3, IEC60870-5 e IEC 61850. Este último es
considerado un estándar mundial para la comunicación de subestaciones
basadas en Ethernet, mientras que el DNP3 es un protocolo abierto con la
capacidad de ser utilizado con TCP/IP, lo cual lo hace altamente flexible y
atractivo para aplicaciones que utilizan dispositivos de diversos fabricantes.Protocolos y topologías utilizadas en los sistemas
A. Arias, et al. 93
de comunicación de las microrredes eléctricas
Dentro de las topologías de comunicación, la topología de malla se consi-
dera la más prometedora para las microrredes debido a su seguridad y exce-
lente confiablidad para estas.
8. Agradecimientos
Esta investigación fue apoyada por el proyecto FONDOCYT 2018-2019-
3C1-160 del Ministerio de Educación Superior, Ciencia y Tecnología
(MESCYT).
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